基于MATLAB的核島廠房構(gòu)件配筋設(shè)計研究

【摘要】核島廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型龐大，采用ANSYS有限元計算時單元及工況數(shù)量多、幾何及材料參數(shù)多；目前尚無相關(guān)商業(yè)軟件能進(jìn)行核島廠房自動配筋計算，只能人工計算，效率極低，且存在不易校對審核，易出錯的風(fēng)險。本文采用MATLAB軟件對核島廠房構(gòu)件批量配筋設(shè)計進(jìn)行研究，開發(fā)了一套配筋計算程序文件，減少人為失誤，提高計算效率。

【關(guān)鍵詞】核島廠房；有限元；MATLAB

核電站核島廠房體型龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平面、豎向不規(guī)則，計算時要考慮龍卷風(fēng)、爆炸沖擊波、管道破裂等特殊荷載。常用的配筋計算軟件難以滿足設(shè)計要求，需借助有限元軟件進(jìn)行計算分析。為準(zhǔn)確模擬核島廠房的實際情況，整體計算采用的ANSYS三維有限元模型所包含的單元數(shù)量往往很大，達(dá)到幾萬甚至十幾萬個單元。同時，其自身定義的幾何參數(shù)、材料參數(shù)種類繁多。這幾種因素疊加在一起，給后續(xù)核島廠房的構(gòu)件配筋設(shè)計帶來巨大的工作量，人工處理耗時費力，還極易出錯，同時存在不易修改、校核的情況，效率極低。因此有必要尋找一種后處理方法，做到優(yōu)化流程、提高效率、更好更快的進(jìn)行核島廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1、MATLAB配筋程序開發(fā)

1.1配筋設(shè)計程序方法

本文主要借助于MATLAB軟件參數(shù)化編程語言，通過編制參數(shù)化程序及m文件來實現(xiàn)核島廠房配筋計算設(shè)計的目的。利用MATLAB程序語言進(jìn)行二次開發(fā)可以實現(xiàn)分析過程的參數(shù)化控制，使得整個分析過程流暢，編制的程序也有較強的適用性、可校對性及后續(xù)改進(jìn)性。

核島廠房構(gòu)件設(shè)計采用《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求》（NB/T 20012-2010）進(jìn)行工況組合和配筋計算。

1.2配筋設(shè)計流程

本文介紹的配筋后處理主要流程為：（1）提取ANSYS有限元模型數(shù)據(jù)文件、各個單工況計算結(jié)果數(shù)據(jù)文件。（2）讀取ANSYS模型的截面信息數(shù)據(jù)文件。（3）根據(jù)NB/T 20012-2010進(jìn)行工況組合，配筋采用NB/T 20012-2010及GB50010-2010兩種規(guī)范方法進(jìn)行計算設(shè)計。（4）自動驗算構(gòu)件最小配筋率。（5）自動輸出最大配筋單元結(jié)果并自動批量保存各個工況的計算結(jié)果。

1.3后處理程序文件編制及使用方法

利用MATLAB軟件的編程語言，按照配筋設(shè)計流程，本文編制了一套計算核島廠房常用SHELL63、SHELL181單元對應(yīng)的構(gòu)件配筋設(shè)計程序文件，共計9個m文件。各個文件的功能詳見表1。該后處理程序采用自動以構(gòu)件編號的形式輸出，也支持用戶自定義輸出?？煽紤]不同的工況輸出情況，后處理的所有數(shù)據(jù)自動保存到指定的文件夾。

該后處理程序使用步驟如下：（1）打開MATLAB，指定工作目錄。（2）在MATLAB工作目錄中拷貝配筋程序文件shell_matlab_peijin.m。（3）在MATLAB工作目錄中，建立文件夾，將ANSYS后處理程序得到的數(shù)據(jù)文件夾全部拷貝到文件夾中。（4）在MATLAB工作目錄的文件夾中增加REAL_INFO.DAT、SECN_INFO.DAT兩個數(shù)據(jù)文件。（5）運行shell_matlab_peijin.m文件直至結(jié)束。

2、算例驗證

通過一個具體算例來演示和驗證對本文的程序文件進(jìn)行驗證。驗證廠房設(shè)計使用年限50年，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。利用SHELL181單元模擬墻板，BEAM188單元模擬梁柱進(jìn)行有限元模型建模和整體計算分析。單元數(shù)量為16023個，計算單工況數(shù)量為63種。

為驗證程序的正確性，采用人工后處理結(jié)果來驗證程序結(jié)果，限于篇幅，下面僅選擇永久荷載工況下一層樓面構(gòu)件殼單元的后處理數(shù)據(jù)。人工結(jié)果與程序結(jié)果對比如下圖1所示。

結(jié)論：

通過算例驗證可知本文提出后處理程序輸出結(jié)果與人工計算結(jié)果達(dá)到高度一致，相對誤差不超過為0.03%，且本程序可以自動讀取有限元計算輸出的內(nèi)力數(shù)據(jù)，大大提高了計算效率。

本后處理程序完成了核電設(shè)計規(guī)范NB/T 20012-2010以及民用設(shè)計規(guī)范GB 50010-2010的批量配筋程序，做到了優(yōu)化設(shè)計流程、提高設(shè)計效率，可更快更好的進(jìn)行核島廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]《APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例》.

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010.

[3]《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求》NB/T20012-2010 .